בניית שמש על פני כדור הארץ: אבן הדרך ההיסטורית של ITER בפיתוח אנרגיית היתוך

אבן דרך מרכזית בתרומות האירופיות והיפניות לפרויקט היתוך של ITER.

פרויקט אנרגיית ההיתוך של ITER מסמן אבן דרך משמעותית עם השלמתם של 19 סלילי שדה טורואידים, חיוניים לכליאה מגנטית באנרגיית היתוך. רכיבים אלה, שפותחו במשך שני עשורים באמצעות מאמץ רב לאומי, מסמלים צעד קדימה בייצור מקור אנרגיה נקי ושופע. פרויקט זה מדגים שיתוף פעולה בינלאומי יוצא דופן וחדשנות טכנולוגית, הכולל למעלה מ-30 מדינות וחברות היי-טק רבות.

לאחר שני עשורים של תכנון, ייצור, ייצור והרכבה בשלוש יבשות, פרויקט היתוך ההיתוך ההיסטורי של ITER חוגג את השלמתו ומסירתם של סלילי השדה הטורואידים המאסיביים שלו מיפן ואירופה.

Masahito Moriyama, שר החינוך, התרבות, הספורט, המדע והטכנולוגיה של יפן, וג'ילברטו פיצ'טו פראטין, השר לאיכות הסביבה והאנרגיה של איטליה, ישתתפו בטקס עם גורמים מחברי ITER אחרים.

איך עובד היתוך?

• כמות קטנה של גז דאוטריום וטריטיום (מימן) מוזרקת לתא ואקום גדול בצורת סופגניה, הנקרא טוקאמק.
• המימן מחומם עד שהוא הופך למיונן פְּלַסמָהשנראה כמו ענן.
• מגנטים ענקיים מוליכים, המשולבים עם הטוקאמק, מגבילים ומעצבים את הפלזמה המיוננת, ומרחיקים אותה מקירות המתכת.
• כאשר פלזמת המימן מגיעה ל-150 מיליון מעלות צֶלסִיוּס– פי עשרה יותר חם מליבת השמש – מתרחש היתוך.
• בתגובת ההיתוך, כמות זעירה של מסה מומרת לכמות עצומה של אנרגיה (E=mc²).
• נויטרונים בעלי אנרגיה גבוהה במיוחד, המיוצרים על ידי היתוך, בורחים מהשדה המגנטי ופוגעים בקירות תא הטוקמק המתכתיים, ומעבירים את האנרגיה שלהם אל הקירות כחום.
• חלק מהנייטרונים מגיבים עם ליתיום בקירות המתכת, ויוצרים יותר דלק טריטיום להיתוך.
• מים שמסתובבים בקירות הטוקמק מקבלים את החום ומומרים לאדים. בכור מסחרי, הקיטור הזה יניע טורבינות לייצור חשמל.
• מאות טוקאמקים נבנו, אבל ITER הוא הראשון שנועד להשיג פלזמה "בוערת" או מתחממת באופן עצמי במידה רבה.

שיתוף פעולה עולמי בנושא אנרגיית היתוך

תשעה עשר סלילי שדה טורואידים ענקיים נמסרו לדרום צרפת. הם יהיו מרכיבי מפתח ב-ITER, מגה-פרויקט ההיתוך הניסיוני שישתמש בכליאה מגנטית כדי לחקות את התהליך שמניע את השמש והכוכבים ומעניק לכדור הארץ אור וחום.

מחקר היתוך מכוון לפיתוח מקור אנרגיה בטוח, שופע ואחראי לסביבה.

ITER הוא שיתוף פעולה של יותר מ-30 מדינות שותפות: האיחוד האירופי, סין, הודו, יפן, קוריאה, רוסיה וארצות הברית. רוב המימון של ITER הוא בצורה של רכיבים שנתרמו. הסדר זה דוחף חברות כמו Mitsubishi Heavy Industries, ASG Superconductors, Toshiba Energy Systems, SIMIC, CNIM ועוד רבות אחרות להרחיב את המומחיות שלהן בטכנולוגיות החדישות הנדרשות להיתוך.

סלילי השדה הטורואידיים בצורת D יוצבו סביב כלי הוואקום של ITER, תא בצורת סופגנייה הנקרא טוקאמק. בתוך הכלי, גרעיני אטום קלים יתמזגו יחד ליצירת כבדים יותר, וישחררו אנרגיה עצומה מתגובת ההיתוך.

הדלק לתגובת היתוך זו הוא שתי צורות של מימן, דאוטריום וטריטיום (DT). דלק זה יוזרק כגז לטוקמק. על ידי הזרמת זרם חשמלי דרך הגז, הוא הופך לפלזמה מיוננת – המצב הרביעי של החומר, ענן של גרעינים ואלקטרונים.

לאחר שני עשורים של תכנון, ייצור, ייצור והרכבה בשלוש יבשות, פרויקט היתוך ההיתוך ההיסטורי של ITER חוגג את השלמתו ומסירתם של סלילי השדה הטורואידים המאסיביים שלו מיפן ואירופה. קרדיט: Fusion for Energy

הנדסת עתיד האנרגיה

הפלזמה תתחמם ל-150 מיליון מעלות, פי 10 יותר חם מליבת השמש. בטמפרטורה זו, מהירותם של גרעיני האטום הקלים גבוהה מספיק כדי שהם יתנגשו ויתמזגו. כדי לעצב, להגביל ולשלוט בפלזמה החמה ביותר הזו, טוקאמק ITER חייב ליצור כלוב מגנטי בלתי נראה, המותאם במדויק לצורת כלי הוואקום המתכתי.

ITER משתמש בניוביום-פח ובניוביום-טיטניום כחומר לסלילי הענק שלו. כאשר הם מופעלים בחשמל, הסלילים הופכים לאלקטרומגנטים. כאשר מקוררים עם הליום נוזלי ל-269 מעלות צלזיוס (4 קלווין), הם הופכים למוליכים.

מרכיבי הליבה של ITER

כדי ליצור את השדות המגנטיים המדויקים הנדרשים, ITER משתמש בשלושה מערכים שונים של מגנטים. שמונה עשר מגנטי השדה הטורואידיים בצורת D מגבילים את הפלזמה בתוך הכלי. מגנטי השדה הפולואידיים, קבוצה מוערמת של שש טבעות המקיפות את הטוקאמק אופקית, שולטים במיקום ובצורה של הפלזמה.

במרכז הטוקאמק, הסולנואיד המרכזי הגלילי משתמש בפולס של אנרגיה כדי ליצור זרם חזק בפלזמה. ב-15 מיליון אמפר, זרם הפלזמה של ITER יהיה הרבה יותר חזק מכל דבר אפשרי בטוקמאקים נוכחיים או קודמים.

עשרה סלילים יוצרו באירופה, בחסות הסוכנות האירופית המקומית של ITER, Fusion for Energy (F4E). שמונה סלילים פלוס חילוף אחד יוצרו ביפן, בניהולו של ITER יפן, חלק מהמכונים הלאומיים למדע וטכנולוגיה קוונטית (QST).

כל סליל שהושלם הוא ענק: גובהו 17 מטרים ורוחבו 9 מטרים, ומשקלו כ-360 טון.

סלילי השדה הטורואידיים יפעלו יחד, למעשה, כמגנט בודד: המגנט החזק ביותר שנוצר אי פעם.

הם ייצרו אנרגיה מגנטית כוללת של 41 ג'יגה-ג'אול. השדה המגנטי של ITER יהיה חזק פי 250,000 בערך מזה של כדור הארץ.

יצירת סלילי שדה טורואידים

תהליך הייצור החל בייצור של גדיל ניוביום-פח. נדרשו יותר מ-87,000 קילומטרים של חוט דק כדי ליצור 19 סלילי שדה טורואידים. גדיל זה יוצר בסין, אירופה, יפן, קוריאה, רוסיה וארצות הברית.

מאות גדילי פח ניוביום נכרכו עם גדילי נחושת לאשכול דמוי חבל, והוכנסו לתוך מעיל פלדה, עם תעלה מרכזית כדי להכיל את הזרימה הכפויה של הליום נוזלי.

התוצאה – "כבל בצינור", או פשוט "מוליך" – מהווה את אלמנט הליבה של הסלילים. חומר מוליך זה נשלח ליפן ולאירופה כדי להתחיל בתהליך הייצור.

היצור בפועל היה אפילו יותר מאתגר. כדי להתחיל, כ-750 מטר מהמוליך כופפו למסלול דו-ספירלי וטופלו בחום ב-650 מעלות צלזיוס. לאחר מכן הוא הוכנס במדויק ל"לוח רדיאלי" בצורת D, מבנה נירוסטה עם חריצים משני הצדדים שאליהם שוכן המוליך.

המוליך היה עטוף ובידוד באמצעות זכוכית וסרט קפטון. לוחות כיסוי הותאמו וריתכו בלייזר. כך נוצר "פנקייק כפול", תת-רכיב ענק אך עדין העשוי משתי שכבות של מוליך. הפנקייק הכפול כולו נעטף שוב בסרט בידוד והוזרק בשרף כדי להוסיף חוזק מבני, תוך שימוש בוואקום כדי להסיר את כיסי האוויר.

בשלב הבא, שבעה פנקייקים כפולים נערמו כדי ליצור "חבילה מתפתלת", שיצרו את הליבה של המגנט הסופי. כל לביבה כפולה צורפה לשנייה לצורך המשכיות חשמלית. חבילת המתפתלים הכוללת בודדה, טופלה בחום ושוב הוזרק עם שרף.

לבסוף, החבילה המתפתלת הוכנסה לתוך מארז נירוסטה מסיבי, מתאים למטרה, במשקל של כ-200 טון, חזק מספיק כדי לעמוד בפני הכוחות העצומים שייווצרו במהלך פעולת ITER.

יותר מ-40 חברות ויותר מ-000 טכנאים מומחים היו מעורבים ביצירת סלילי השדה הטורואידי (TF). חלק מהחברות המרכזיות באירופה כוללות:

• ASG Superconductors ייצרו 70 פנקייקים כפולים TF ו-10 אריזות מתפתלות.
• CNIM ייצרה 35 לוחות TF רדיאליים.
• SIMIC ייצרה 35 לוחות TF רדיאליים והשלימה 10 סלילי TF,
• ייצור מתואם של Iberdrola של 10 חבילות פיתול סליל TF.
• אליט אנרג'י ייצרה את הכלים עבור הפנקייקים הכפולים 70 TF.
• BNG השלימה את מבחן הקור, ב-80 קלווין, של 10 חבילות מתפתלות TF.

יפן הייתה אחראית לייצור כל 19 מארזי סליל ה-TF, בשיתוף פעולה בין מיצובישי תעשיות כבדות, טושיבה אנרג'י סיסטמס ויונדאי תעשיות כבדות. בנוסף, חברות המפתח המעורבות בייצור של סלילי TF של יפן כוללות:

• חברת מיצובישי אלקטריק ייצרה 5 חבילות פיתול TF.
• Arisawa Manufacturing ייצרה את כל סרטי הבידוד.
• מיצובישי תעשיות כבדות השלימה 5 סלילי TF.
• Toshiba Energy Systems השלימה 4 סלילי TF.

"ההשלמה והאספקה ​​של 19 סלילי השדה הטורואידיים של ITER הם הישג מונומנטלי", אמר פייטרו ברבאסקי, המנהל הכללי של ITER. "אנו מברכים את הממשלות החברות, את סוכנויות ITER המקומיות, את החברות המעורבות, ואת האנשים הרבים שהקדישו אינספור שעות למאמץ המדהים הזה."